Микроскоп - это оптический прибор, позволяющий получить увеличенные изображения мелких предметов или их деталей, которые невозможно рассмотреть невооружённым глазом.

Дословно слово «микроскоп» означает «наблюдать за чем-то маленьким, (от греческого «малый» и «смотрю»).

Глаз человека, как любая оптическая система, характеризуется определённым разрешением. Это наименьшее расстояние между двумя точками или линиями, когда они ещё не сливаются, а воспринимаются раздельно друг от друга. При нормальном зрении на расстоянии 250 мм разрешение составляет 0,176 мм. Поэтому все объекты, размер которых меньше этой величины, наш глаз уже не в состоянии различить. Мы не можем видеть клетки растений и животных, различные микроорганизмы и др. Но это можно сделать с помощью специальных оптических приборов - микроскопов.

Как устроен микроскоп

Классический микроскоп состоит из трех основных частей: оптической, осветительной и механической. Оптическая часть - это окуляры и объективы, осветительная - источники освещения, конденсор и диафрагма. К механической части принято относить все остальные элементы: штатив, револьверное устройство, предметный столик, систему фокусировки и многое другое. Все вместе и позволяет проводить исследования микромира.

Что такое «диафрагма микроскопа»: поговорим об осветительной системе

Для наблюдений микромира хорошее освещение настолько же важно, как и качество оптики микроскопа. Светодиоды, галогенные лампы, зеркало - для микроскопа могут использоваться разные источники освещения. У каждого есть свои плюсы и минусы. Подсветка может быть верхней, нижней или комбинированной. Ее расположение влияет на то, какие микропрепараты можно изучать при помощи микроскопа (прозрачные, полупрозрачные или непрозрачные).

Под предметным столиком, на который кладется образец для исследований, располагается диафрагма микроскопа. Она может быть дисковой или ирисовой. Диафрагма предназначена для регулировки интенсивности освещения: с ее помощью можно отрегулировать толщину светового пучка, идущего от осветителя. Дисковая диафрагма - это небольшая пластина с отверстиями разного диаметра. Ее обычно устанавливают на любительские микроскопы. Ирисовая диафрагма состоит из множества лепестков, с помощью которых можно плавно изменять диаметр светопропускающего отверстия. Она чаще встречается в микроскопах профессионального уровня.

Оптическая часть: окуляры и объективы

Объективы и окуляры - наиболее популярные запчасти для микроскопа. Хотя далеко не все микроскопы поддерживают смену этих аксессуаров. Оптическая система отвечает за формирование увеличенного изображения. Чем она лучше и совершеннее, тем картинка получается четче и подробнее. Но высочайший уровень качества оптики нужен только в профессиональных микроскопах. Для любительских исследований достаточно стандартной стеклянной оптики, обеспечивающей увеличение до 500-1000 крат. А вот пластиковых линз мы рекомендуем избегать - качество картинки в таких микроскопах обычно расстраивает.

Механические элементы

В любом микроскопе присутствуют элементы, которые позволяют исследователю управлять фокусом, регулировать положение исследуемого образца, настраивать рабочее расстояние оптического прибора. Все это часть механики микроскопа: коаксиальные механизмы фокусировки, препаратоводитель и препаратодержатель, ручки регулировки резкости, предметный столик и многое другое.

История создания микроскопа

Когда появился первый микроскоп, точно неизвестно. Простейшие увеличительные приборы - двояковыпуклые оптические линзы, находили ещё при раскопках на территории Древнего Вавилона.

Считается, что первый микроскоп создали в 1590 г. голландский оптик Ганс Янсен и его сын Захарий Янсен. Так как линзы в те времена шлифовали вручную, то они имели различные дефекты: царапины, неровности. Дефекты на линзах искали с помощью другой линзы - лупы. Оказалось, что если рассматривать предмет с помощью двух линз, то происходит его многократное увеличение. Смонтировав 2 выпуклые линзы внутри одной трубки, Захарий Янсен получил прибор, который напоминал подзорную трубу. В одном конце этой трубки находилась линза, выполняющая функцию объектива, а в другом - линза-окуляр. Но в отличие от подзорной трубы прибор Янсена не приближал предметы, а увеличивал их.

В 1609 г. итальянский учёный Галилео Галилей разработал составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами. Он называл его «оккиолино» - маленький глаз.

10 лет спустя, в 1619 г. нидерландский изобретатель Корнелиус Якобсон Дреббель сконструировал составной микроскоп с двумя выпуклыми линзами.

Мало кто знает, что свой название микроскоп получил только в 1625 г. Термин «микроскоп» предложил друг Галилео Галилея немецкий доктор и ботаник Джованни Фабер.

Все созданные в то время микроскопы были довольны примитивными. Так, микроскоп Галилея мог увеличивать всего в 9 раз. Усовершенствовав оптическую систему Галилея, английский учёный Роберт Гук в 1665 г. создал свой микроскоп, который обладал уже 30-кратным увеличением.

В 1674 г. нидерландский натуралист Антони ван Левенгук создал простейший микроскоп, в котором использовалась всего одна линза. Нужно сказать, что создание линз было одним из увлечений учёного. И благодаря его высокому мастерству в шлифовании, все сделанные им линзы получались очень высокого качества. Левенгук называл их «микроскопиями». Они были маленькие, размером с ноготь, но могли увеличивать в 100 или даже в 300 раз.

Микроскоп Левенгука представлял собой металлическую пластину, в центре которой находилась линза. Наблюдатель смотрел через неё на образец, закреплённый с другой стороны. И хотя работать с таким микроскопом было не совсем удобно, Левенгук смог сделать с помощью своих микроскопов важные открытия.

В те времена было мало известно о строении органов человека. С помощью своих линз Левенгук обнаружил, что кровь состоит из множества крошечных частиц - эритроцитов, а мышечная ткань - из тончайших волокон. В растворах он увидел мельчайшие существа разной формы, которые двигались, сталкивались и разбегались. Теперь мы знаем, что это бактерии: кокки, бациллы и др. Но до Левенгука об этом не было известно.

Всего учёным было изготовлено более 25 микроскопов. 9 из них сохранились до наших дней. Они способны увеличивать изображение в 275 раз.

Микроскоп Левенгука был первым микроскопом, который завезли в Россию по указанию Петра I.

Постепенно микроскоп совершенствовался и приобретал форму, близкую к современной. Учёные России также внесли огромный вклад в этот процесс. В начале XVIII века в Петербурге в мастерской Академии наук создавались усовершенствованные конструкции микроскопов. Русский изобретатель И.П. Кулибин построил свой первый микроскоп, не имея никаких знаний о том, как это делали за границей. Он создал производство стекла для линз, придумал приспособления для их шлифовки.

Великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов первым из русских учёных стал использовать микроскоп в своих научных исследованиях.

Однозначного ответа на вопрос «Кто же всё-таки изобрел микроскоп?», пожалуй, не существует. В развитие микроскопного дела внесли вклад лучшие ученые и изобретатели разных эпох.

На протяжении нескольких столетий этот оптический прибор являлся не только одним из двигателей научно-технического прогресса, но и воодушевлял исследователей на расширение границ собственного познания. Благодаря ему сделано множество величайших открытий, используемых в современной жизнедеятельности человека. Зачем нужен микроскоп - этот вопрос актуален и для молодого поколения, жаждущего знаний и не равнодушного к науке. Нет никаких сомнений, что самое интересное - еще впереди. Поэтому, если вас или ребенка посетила мысль о занятиях биологией - это уже хорошо, так как растет достойная смена, которая в будущем определит вектор развития цивилизации.

Да просто увидеть своими глазами, что рядом с нами тысячелетиями существует невидимый мир, который практически нереально уловить без увеличительных инструментов. Остановимся подробнее на основных преимуществах, ведь помимо микроорганизмов, клеток и бактерий, привычные вещи также обретают зрительно новую удивительную форму, стоит лишь посмотреть на них сквозь отверстие окуляра.

Наглядное обучающее пособие. Микроскопами оборудуются классы в общеобразовательных учреждениях, например, в школах, лицеях и ВУЗах. Министерство образования еще во времена СССР разработало методику, при которой ученик может лицезреть инфузорию туфельку, эвглену, амебу не только на картинке учебника, но и вживую. При этом информация лучше откладывается в голове, а ребятишки могут более осознано выбирать свою профессию.

Увлекательное хобби. Приобретая микроскоп для своего смышленого чада, родители иногда пожимают плечами - мол, зачем он ему нужен. Однако, как только письменный стол превращается в домашнюю лабораторию, во впечатляющие наблюдения втягиваются не только дети, но и мамы и папы. В итоге это может превратиться в яркое семейное увлечение! Рассматривать можно абсолютно все - не только микроскопические организмы и их на первый взгляд забавную суетливую деятельность в обычной капле воды, но и все, что попадается под руку - монеты, ткани, бумажные изделия и пластик, камушки, песок, соль и сахар. Если фантазии и жажда узнать что-то новенькое не иссякают - то вопрос «что еще увеличить» отпадет сам собой.

Проверка продуктов питания на качество. Действительно, сегодня сформировалась целая прослойка граждан, желающих вести здоровый образ жизни. И микроскоп тут пригодится как нельзя кстати. Смотрите на мясо, молоко, хлеб, муку, злаки в общем на все, что потребляется в пищу. И на основе увиденного можно делать выводы - пригодно это для еды или надо подкорректировать рацион.

Творческий процесс. В век компьютерных технологий микроскопия также не осталась в стороне. С помощью специальных камер можно снимать фотографии и видео увеличенных предметов! А если полученные результаты исследований в виде файлов выкладывать на соответствующих Интернет-ресурсах или в социальных сетях, то в скором времени у биолога-новичка появится круг поклонников его необычного творчества. А как насчет ювелирного дела и создания украшений с изящным маленьким узором? Это тоже реально, правда для этого понадобится инструментальная модель.

Применяют для получения больших увеличений при наблюдении мелких предметов. Увеличенное изображение предмета в микроскопе получается с помощью оптической системы, состоящей из двух короткофокусных линз – объектива и окуляра. Объектив даст действительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточное изображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогично действию лупы. Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось в его фокальной плоскости, в этом случае лучи от каждой точки предмета распространяются после окуляра параллельным пучком. Прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом, используемые для многократного увеличения рассматриваемых объектов. С помощью этих приборов определяются размеры, форма и строение мельчайших частиц. Микроскоп – незаменимое оптическое оборудование для таких сфер деятельности, как медицина, биология, ботаника, электроника и геология, так как на результатах исследований основываются научные открытия, ставится правильный диагноз и разрабатываются новые препараты.

Первый микроскоп , изобретённый человечеством, были оптическими, и первого изобретателя не так легко выделить и назвать. Самые ранние сведения о микроскопе относят к 1590 году. Чуть позже, в 1624-ом году Галилео Галилей представляет свой составной микроскоп , который он первоначально назвал «оккиолино». Годом спустя его друг по Академии Джованни Фабер предложил для нового изобретения термин микроскоп .

Виды микроскопов

В зависимости от требуемой величины разрешения рассматриваемых микрочастиц материи, микроскопии, микроскопы классифицируются на:

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличны один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешение составляет 0,176 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины. До середины XX века работали только с видимым оптическим излучением, в диапазоне 400-700 нм, а также с ближним ультрафиолетом (люминесцентный микроскоп). Оптически микроскоп не мог давать разрешающей способности менее полупериода волны опорного излучения (диапазон длин волн 0,2-0,7 мкм, или 200-700 нм). Таким образом, оптический микроскоп способен различать структуры с расстоянием между точками до ~0,20 мкм, поэтому максимальное увеличение, которого можно было добиться, составляло ~2000 крат.

позволяет получать 2 изображения объекта, рассматриваемые под небольшим углом, что обеспечивает объёмное восприятие, это оптический прибор для многократного увеличения рассматриваемых объектов, который обладает специальной бинокулярной насадкой, позволяющей вести изучение объекта при помощи обоих глаз. В этом и заключается его удобство и преимущество перед обычными микроскопами. Именно поэтому бинокулярный микроскоп чаще других применяется в профессиональных лабораториях, медицинских учреждениях и высших учебных заведениях. В числе других преимуществ данного прибора необходимо отметить высокое качество и контрастность изображения, механизмы грубой и точной настройки. Бинокулярный микроскоп работает по тому же принципу, что и обычные монокулярные: объект изучения помещают под объектив, где на него направляется искусственный световой поток. применяется для биохимических, патологоанатомических, цитологических, гематологических, урологических, дерматологических, биологических и общеклинических исследований. Общее увеличение (объектив*окуляр) оптических микроскопов с бинокулярной насадкой обычно больше, чем у соответствующих монокулярных микроскопов.

Стереомикроскоп , как и другие виды оптических микроскопов , позволяют работать как в проходящем, так и в отражённом свете. Обычно они имеют сменные окуляры бинокулярной насадки и один несменный объектив (есть и модели со сменными объективами). Большинство стереомикроскопов дает существенно меньшее увеличение, чем современный оптический микроскоп, однако имеет существенно большее фокусное расстояние, что позволяет рассматривать крупные объекты. Кроме того, в отличие от обычных оптических микроскопов, которые дают, как правило, инвертированное изображение, оптическая система стереомикроскопа не «переворачивает» изображение. Это позволяет широко использовать их для препарирования микроскопических объектов вручную или с использованием микроманипуляторов. Наиболее широко бинокуляры используются для исследования неоднородностей поверхности твёрдых непрозрачных тел, таких как горные породы, металлы, ткани; в микрохирургии и пр.

Специфика металлографического исследования заключается в необходимости наблюдать структуру поверхности непрозрачных тел. Поэтому металлографический микроскоп построены по схеме отраженного света, где имеется специальный осветитель установленный со стороны объектива. Система призм и зеркал направляет свет на объект, далее свет отражается от не прозрачного объекта и направляется обратно в объектив. Современный прямой металлографический микроскоп характеризуются большим расстоянием между поверхностью столика и объективами и большим вертикальным ходом столика, что позволяет работать с крупными образцами. Максимальное расстояние может достигать десятки сантиметров. Но обычно в материаловедении используются инвертированный микроскоп, как не имеющие ограничения на размер образца (только на вес) и не требующие параллельности опорной и рабочей граней образца (в этом случае они совпадают).

В основе принципа действия поляризационного микроскопа лежит получение изображения исследуемого объекта при его облучении поляризованными лучами, которые в свою очередь должны быть получены из обычного света с помощью специального прибора - поляризатора. В сущности при прохождении поляризованного света через вещество либо отраженное от него меняет плоскость поляризации света в результате чего на втором поляризационном фильтре выявляется в виде излишнего затемнения. Либо дают специфичные реакции как двойное лучепреломление в жирах. предназначен для наблюдения, фотографирования и видеопроекции объектов в поляризованном свете, а также исследований по методам фокального экранирования и фазового контраста. используется для исследования широкого круга тех свойств и явлений, которые обычно недоступны для привычного оптического микроскопа. снабжается бесконечной оптикой с профессиональным программным обеспечением.

Принцип действия люминесцентных микроскопов основывается на свойствах флюоресцентного излучения. Микроскоп используются для исследования прозрачных и непрозрачных объектов. Люминесцентное излучение, по-разному отражается различными поверхностями и материалами, что и позволяет успешно применять его для проведения иммунохимических, иммунологических, иммуноморфологических и иммуногенетических исследований. Благодаря их уникальным возможностям, люминесцентный микроскоп широко используются в фармацевтике, ветеринарии и растениеводстве, а, кроме того, в биотехнологических отраслях промышленности. также практически незаменим для работы экспертно-криминалистических центров и санитарно-эпидемиологических учреждений.

служит для точного измерения угловых и линейных размеров объектов. Используется в лабораторной практике, в технике и машиностроении. На универсальном измерительном микроскопе проводятся измерения проекционным методом, а также методом осевого сечения. Универсальный измерительный микроскоп отличается простотой автоматизации благодаря своим конструктивным особенностям. Наиболее простым решением является установка квазиабсолютного датчика линейных перемещений, благодаря чему значительно упрощается процесс наиболее часто проводимых (на УИМ) измерений. Современное применение универсального измерительного микроскопа обязательно подразумевает наличие как минимум цифрового отсчетного устройства. Несмотря на появление новых прогрессивных средств измерения, универсальный измерительный микроскоп достаточно широко используется в измерительных лабораториях благодаря своей универсальности, простоте измерения, а также возможности легко автоматизировать процесс проведения измерения.

Электронный микроскоп позволяют получать изображение объектов с максимальным увеличением до 1000000 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока пучка электронов с энергиями 200 В ÷ 400 кэВ и более (например, просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ). Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема. Для получения изображения электронный микроскоп использует специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое - оптическими линзами.

это класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. в современном виде изобретен Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. Отличительной СЗМ особенностью является наличие: зонда, системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам, регистрирующей системы. Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образец. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор.

Основные типы сканирующих зондовых микроскопов :

Сканирующий атомно-силовой микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп

Ближнепольный оптический микроскоп

- устройство для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Основан на использовании электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра. по разрешающей способности находится между электронными и оптическими микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нанометров, что на порядок больше разрешающей способности оптического микроскопа (до 150 нанометров). В настоящее время существуют рентгеновский микроскоп с разрешающей способностью около 5 нанометров.

Рентгеновский микроскоп бывают:

Проекционный рентгеновский микроскоп.
ППроекционный рентгеновский микроскоп представляет собой камеру, в противоположных концах которой располагаются источник излучения и регистрирующее устройство. Для получения чёткого изображения необходимо, чтобы угловая апертура источника была как можно меньше. В микроскопах такого типа до недавнего времени не использовались дополнительные оптические приборы. Основным способом получить максимальное увеличение является размещение объекта на минимально возможном расстоянии от источника рентгеновского излучения. Для этого фокус трубки располагается непосредственно на окне рентгеновской трубки либо на вершине иглы анода, помещенной вблизи окна трубки. В последнее время ведутся разработки микроскопов, использующих зонные пластинки Френеля для фокусировки изображения. Такой микроскоп имеют разрешающую способность до 30 нанометров.

Отражательный рентгеновский микроскоп.
В микроскопе этого типа используются приёмы, позволяющие добиться максимального увеличения, благодаря чему линейное разрешение проекционного рентгеновского микроскопа достигает 0,1-0,5 мкм. В качестве линз в них используется система зеркал. Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными аберрациями оптических систем: астигматизм, кома. Для фокусировки рентгеновского излучения применяются также изогнутые монокристаллы. Но при этом на качество изображения сказываются структурные несовершенства монокристаллов, а также конечная величина брэгговских углов дифракций. Отражательный рентгеновский микроскоп не получил широкого распространения из-за технических сложностей его изготовления и эксплуатации.

Дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп позволяет определить оптическую плотность исследуемого объекта на основе принципа интерференции и таким образом увидеть недоступные глазу детали. Относительно сложная оптическая система позволяет создать чёрно-белую картину образца на сером фоне. Это изображение подобно тому, которое можно получить с помощью фазово-контрастного микроскопа, но в нём отсутствует дифракционное гало. В дифференциальном интерференционно-контрастном икроскопе поляризованный луч из источника света разделяется на два луча, которые проходят через образец разными оптическими путями. Длина этих оптических путей (т. е. произведение показателя преломления и геометрической длины пути) различна. Впоследствии эти лучи интерферируют при слиянии. Это позволяет создать объемное рельефное изображение, соответствующее изменению оптической плотности образца, акцентируя линии и границы. Эта картина не является точной топографической картиной.